基于安卓手機的智能測量儀App設計與實現

孫嘉鵬 北京市十一學校

1.開發背景與需求

在日常生活中，我們經常會遇到想要知道某個對象的距離或者高度，但恰巧沒有尺子或者不方便測量的情況。例如，你到旅游景點看到一個雕塑或者一棟大樓，想知道它的高度，卻不方便直接測量。又比如，當你在某個地方發現一件有趣的事情，你想把它的位置分享給朋友，但是GPS獲取的只是人自身的位置，而不是所感興趣目標的位置，這個時候我們希望有個工具能自動測量目標離人的距離，再與人的GPS位置和目標相對于人的角度（可通過手機的方向傳感器獲得）相結合，則可計算出目標的準確位置。

針對以上需求，本文將開發一款基于安卓手機的智能測量儀App，通過用戶的簡單操作即可實現測量某個感興趣目標的高度或者距離。該App將使用谷歌公司提供的App Inventor[1]平臺進行開發，該平臺是一個適用于安卓手機App開發的在線編程軟件，可通過代碼拼裝的方式快速方便地實現所需功能。

2.設計原理

測量距離和高度的基本原理如圖1所示。整個測量過程分為以下兩步：

步驟1）用戶手拿手機，打開攝像頭，并將手機屏幕中心對準被測量對象的底部，點擊拍照按鈕的同時，可利用手機的方向傳感器獲得向下的傾斜角α；

步驟2）用戶再次打開攝像頭，并將手機屏幕中心對準被測量對象的頂部，點擊拍照按鈕的同時，再次利用手機的方向傳感器獲得向上的傾斜角β。

假定用戶的身高h1已知，用戶手拿手機的位置與用戶的頭部大概距離為0.3m，則用戶手機離對面的高度為（h1-0.3）。因此，我們可以根據三角函數得到以下兩個公式，分別用來計算被測量對象與用戶的距離d，以及被測量對象的高度h2。

d=h1*tanα；

h2=h1-0.3+d*tanβ；

圖1 使用手機測量距離和高度的基本原理

3.界面設計

在App Inventor中，調用照相機時，會自動彈出照相界面，并引導用戶照相。所以我們不需要單獨為它設計界面。除此之外，還需要設計三個頁面。首先，用戶需要設置自己的身高，我們可以使用一個文本框供用戶輸入，同時提供一個按鈕供用戶第一次調用攝像頭，并給用戶相應的拍照方法提示，如圖2（a）所示。用戶點擊按鈕后，將第一次進入拍照界面，如圖3（a）所示。用戶將取像畫面中心對準被測量對象底部，然后點擊拍照按鈕，之后將返回第二個頁面，繼續引導用戶進行第二次拍照，如圖所示2（b）。用戶再次點擊按鈕后，將第二次進入拍照界面，如圖3（b）所示。用戶將取像畫面中心對準被測量對象頂部，然后點擊拍照按鈕，之后將進入第三個頁面，顯示計算結果，同時顯示我們所獲得的其它信息，包括身高和兩次拍照的角度，如圖2（c）所示。同時，該界面提供一個返回按鈕，可以回到第一個頁面，重新開始下一次測量。

圖2 智能測量儀的三個頁面

圖3 兩次拍照界面

4.功能實現

下面，分四個方面分別介紹該App的實現細節。

4.1 使用微數據庫存儲數據

用戶需要拍攝兩次來提供足夠的計算信息。在這里，可以選擇將數據以參數形式在頁面之間傳遞，也可以采用微數據庫[2]來存儲數據。因為App Inventor的限制，我們只能在頁面間傳遞一個參數，所以，為了方便起見，這里使用微數據庫。

對于同一個用戶來說，身高是不變的。所以，當用戶第二次以及以后再進行測量時，不需要用戶重新輸入身高了，除非用戶自己想要修改數據。同時，身高也是一個必需的計算參數，所以，如果用戶沒有正確輸入，要給出提示，讓用戶正確輸入身高。第一張頁面初始化和存儲身高信息的塊代碼，以及最后取用數據庫數據的塊代碼分別如圖4和圖5所示。

圖4 頁面初始化和存儲身高信息的塊代碼

圖5 取用數據庫數據的塊代碼

4.2 調用照相機

在App Inventor中，照相機組件是非常簡便易用的，從上圖可以看到，我們只需要一個塊代碼，就可以調用照相機來拍照。之后，在完成拍攝時，我們需要提取角度信息，需要調用拍攝完成事件來存儲傾斜角，相應的塊代碼如圖6所示。

圖6 調用拍攝完成事件來存儲傾斜角的塊代碼

4.3 獲取傾斜角

在APP Inventor中，傾斜角的定義是：當設備水平放置時，其值為0°；隨著設備頂部向下傾斜至豎直時，其值為90°，繼續沿相同方向翻轉，其值逐漸減小，直到屏幕朝向下方的位置，其值變為0°；同樣，當設備底部向下傾斜直到指向地面時，其值為-90°，繼續沿同方向翻轉到屏幕朝上時，其值為0°。如圖7所示。

圖7 傾斜角測量示意圖

因為手機豎直時，傾斜角給出的角度是90度。向前向后繼續傾斜，角度絕對值都將同樣變小，所以，我們計算出的高度值，可能有兩個。如上圖所示，我們的照相角度都為負值，所以在塊代碼中取絕對值，相應的塊代碼如圖8所示。

圖8 計算傾斜角的塊代碼

4.4 距離和高度計算

通過前面的分析，我們需要進行兩次三角變換來分別計算距離和高度，以及我們可能獲得兩個高度值。我們需要一些局部變量作為中間變量來進行計算，相應的塊代碼如圖9所示。

圖9 計算距離和高度的塊代碼

5.總結與展望

本文基于App Inventor設計與實現了一款用于測量對象距離和高度的安卓手機App，在日常生活中有廣泛的應用。然而，本App還有一些待完善和擴展的地方。首先，在用戶瞄準被測量對象時，應該在屏幕中間提供一個“十”字準星幫助用戶獲得更準確的角度信息，但是由于APP Inventor的限制，照相機無法被放置在一個畫布中，只能被獨立調用，所以我們只能讓用戶盡量將被測對象位置置于屏幕中央。這樣一來，測量的結果就存在更大的誤差。另外，不同型號的手機對角度的測量準確性也有很大差異，需要設計一些校準方法來提高測量的準確性。另外，該App需要用戶操作兩個步驟才能測量高度，未來可探索只操作一次即可測量高度的方法。